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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 21 期摇 摇 2011 年 11 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
基于景观格局理论和理想风水模式的藏族乡土聚落景观空间解析———以甘肃省迭部县扎尕那村落为例
史利莎,严力蛟,黄摇 璐,等 (6305)
……
……………………………………………………………………………
武夷山风景名胜区景观生态安全度时空分异规律 游巍斌,何东进,巫丽芸,等 (6317)…………………………
旅游地道路生态持续性评价———以云南省玉龙县为例 蒋依依 (6328)…………………………………………
城市空间形态紧凑度模型构建方法研究 赵景柱,宋摇 瑜,石龙宇,等 (6338)……………………………………
丹顶鹤多尺度生境选择机制———以黄河三角洲自然保护区为例 曹铭昌,刘高焕,徐海根 (6344)……………
西南喀斯特区域水土流失敏感性评价及其空间分异特征 凡非得,王克林,熊摇 鹰,等 (6353)…………………
流域尺度海量生态环境数据建库关键技术———以塔里木河流域为例 高摇 凡,闫正龙,黄摇 强 (6363)………
雌雄异株植物鼠李的生殖分配 王摇 娟,张春雨,赵秀海,等 (6371)………………………………………………
长白山北坡不同年龄红松年表及其对气候的响应 王晓明,赵秀海,高露双,等 (6378)…………………………
不同高寒退化草地阿尔泰针茅种群的小尺度点格局 赵成章,任摇 珩,盛亚萍,等 (6388)………………………
残存银杏群落的结构及种群更新特征 杨永川,穆建平,TANG Cindy Q,等 (6396)……………………………
濒危植物安徽羽叶报春两种花型的繁育特性及其适应进化 邵剑文,张文娟,张小平 (6410)…………………
神农架海拔梯度上 4 种典型森林的乔木叶片功能性状特征 罗摇 璐,申国珍,谢宗强,等 (6420)………………
不同植被恢复模式下煤矸石山复垦土壤性质及煤矸石风化物的变化特征
王丽艳,韩有志,张成梁,等 (6429)
………………………………………
……………………………………………………………………………
火烧对黔中喀斯特山地马尾松林分的影响 张摇 喜,崔迎春,朱摇 军,等 (6442)…………………………………
内蒙古高原锦鸡儿属植物的形态和生理生态适应性 马成仓,高玉葆,李清芳,等 (6451)………………………
古尔班通古特沙漠西部梭梭种群退化原因的对比分析 司朗明,刘摇 彤,刘摇 斌,等 (6460)……………………
白石砬子国家级自然保护区天然林的自然稀疏 周永斌,殷摇 有,殷鸣放,等 (6469)……………………………
黑龙江省东完达山地区东北虎猎物种群现状及动态趋势 张常智,张明海 (6481)………………………………
基于 GIS的马铃薯甲虫扩散与河流关系研究———以新疆沙湾县为例 李摇 超,张摇 智,郭文超,等 (6488)……
2010 年广西兴安地区稻纵卷叶螟发生动态及迁飞轨迹分析 蒋春先,齐会会,孙明阳,等 (6495)……………
B型烟粉虱对寄主转换的适应性 周福才,李传明,顾爱祥,等 (6505)……………………………………………
利用 PCR鄄DGGE方法分析不同鸡群的盲肠微生物菌群结构变化 李永洙,Yongquan Cui (6513)………………
鸡粪改良铜尾矿对 3 种豆科植物生长及基质微生物量和酶活性的影响
张摇 宏,沈章军,阳贵德,等 (6522)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
铜绿微囊藻对紫外辐射的生理代谢响应 汪摇 燕,李珊珊,李建宏,等 (6532)……………………………………
10 种常见甲藻细胞体积与细胞碳、氮含量的关系 王摇 燕,李瑞香,董双林,等 (6540)…………………………
冬季太湖表层底泥产毒蓝藻群落结构和种群丰度 李大命,孔繁翔,于摇 洋,等 (6551)…………………………
城市机动车道颗粒污染物扩散对绿化隔离带空间结构的响应 蔺银鼎,武小刚,郝兴宇,等 (6561)……………
新疆城镇化与土地资源产出效益的空间分异及其协调性 杨摇 宇,刘摇 毅,董摇 雯,等 (6568)…………………
山东潍坊地下水硝酸盐污染现状及 啄15N溯源 徐春英,李玉中,李巧珍,等 (6579)……………………………
增温对宁夏引黄灌区春小麦生产的影响 肖国举,张摇 强,张峰举,等 (6588)……………………………………
一种估测小麦冠层氮含量的新高光谱指数 梁摇 亮,杨敏华,邓凯东,等 (6594)…………………………………
黄河上游灌区稻田 N2O排放特征 张摇 惠,杨正礼,罗良国,等 (6606)…………………………………………
专论与综述
植物源挥发性有机物对氮沉降响应研究展望 黄摇 娟,莫江明,孔国辉,等 (6616)………………………………
植物种群更新限制———从种子生产到幼树建成 李摇 宁,白摇 冰,鲁长虎 (6624)………………………………
研究简报
遮荫对两个基因型玉米叶片解剖结构及光合特性的影响 杜成凤,李潮海,刘天学,等 (6633)…………………
学术信息与动态
科学、系统与可持续性———第六届工业生态学国际大会述评 石海佳,梁摇 赛,王摇 震,等 (6641)……………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*340*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄11
封面图说: 鹤立———丹顶鹤是世界 15 种鹤数量极小的一种,主要栖息在沼泽、浅滩、芦苇塘等湿地,以捕食小鱼虾、昆虫、蛙蚧、
软体动物为主,也吃植物的根茎、种子、嫩芽。 善于奔驰飞翔,喜欢结群生活。 丹顶鹤属迁徙鸟类,主要在我国的黑
龙江、吉林,俄罗斯西伯利亚东部、朝鲜北部以及日本等地繁殖。 在长江下游一带越冬。 在中国文化中有“仙鹤冶之
说。 被列为中国国家一级重点保护野生动物名录,濒危野生动植物种国际贸易公约绝对保护的 CITES 附录一物种
名录。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 21 期
2011 年 11 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 21
Nov. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家重大专项课题(2008ZX07425鄄001);国家科技支撑课题(2011BAD32B03);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项
目;JICA可持续农业技术项目
收稿日期:2010鄄12鄄31; 摇 摇 修订日期:2011鄄06鄄20
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: liyz@ ieda. org. cn
徐春英,李玉中, 李巧珍,王利民,董一威,贾小妨.山东潍坊地下水硝酸盐污染现状及 啄15N溯源.生态学报,2011,31(21):6579鄄6587.
Xu C Y, Li Y Z, Li Q Z, Wang L M, Dong Y W, Jia X F. Nitrate contamination and source tracing from NO-3 鄄啄15N in groundwater in Weifang, Shandong
Province. Acta Ecologica Sinica,2011,31(21):6579鄄6587.
山东潍坊地下水硝酸盐污染现状及 啄15 N溯源
徐春英1,李玉中1,*, 李巧珍1,王利民2,董一威1,贾小妨3
(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 /农业部旱作节水农业重点开放实验室,北京摇 100081;
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京摇 100081;3. 北京市通州区张家湾镇镇政府,北京摇 101113)
摘要:采用均匀布点选取了山东潍坊居民区、粮田和蔬菜种植区等区域地下水为研究对象,分析了地下水硝态氮含量及污染来
源,结果表明:潍坊地区地下水硝态氮平均含量为 28. 1 mg / L ,按照国家地下水质量标准(GB / T 14848—93)属于芋类水;饮用
水井硝态氮平均含量为 23. 3 mg / L, 最高值达到了 150 mg / L,对国家饮用水标准(10 mg / L)超标率高达 73. 5% ,严重超标率达
50% ;不同土地利用方式下地下水硝态氮含量不同,设施蔬菜种植区最高,其次是露地蔬菜种植区, 小麦鄄玉米种植区地下水硝
态氮含量较低,但都超过了 WHO饮用水中硝酸盐的最大允许含量 50 mg / L的规定(折合为硝态氮 11. 3 mg / L);硝酸盐与水质
离子之间的相关性以及水质分析相关的派珀图分析显示地下水硝酸盐污染与氮肥施用有关;根据硝酸盐 啄15N的稳定同位素溯
源分析,潍坊地区地下水硝酸盐 41. 5%来自于化肥,14. 6%来自于生活污水,其他是来自化肥、生活污水和家畜粪尿的混合污
染。 综上,潍坊市地下水硝酸盐污染非常严重,已经对当地居民的身体健康造成了潜在的威胁;因此,亟需从源头控制做起,减
少肥料的过量投入和生活污水的随意排放,以控制硝酸盐的继续污染及改善当地水环境。
关键词:地下水;硝态氮;污染;啄15N;溯源
Nitrate contamination and source tracing from NO-3 鄄啄15N in groundwater in
Weifang, Shandong Province
XU Chunying1, LI Yuzhong1,*, LI Qiaozhen1, WANG Limin2, DONG Yiwei1, JIA Xiaofang3
1 Key Laboratory of Dryland Agriculture,Ministry of Agriculture in China, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese
Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
2 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
3 Zhangjiawan Township Government, Tong Zhou District, Beijing 101113, China
Abstract: People in many regions worldwide are entirely dependent on groundwater resources for their water supply. More
than 1. 5 billion people rely mainly on groundwater for drinking water. In China, groundwater is a necessary and
irreplaceable resource, which is important for quality of life as well as for economic and social development. In some cities
and rural areas, groundwater is often the only source of drinking water, especially in north China such as Shandong
Province.
Contamination by various pollutants might render groundwater unsuitable for consumption and therefore have negative
consequences for human and animal life as well as the whole environment. Nitrate is the most frequent pollutant introduced
into groundwater systems, and high nitrate levels exceeding 50 mg / L can damage human health. Nitrate pollution usually
originates from non鄄point sources, such as intensive agriculture areas and unsewered sanitation in densely populated
regions, or point sources such as irrigation of land by sewage effluent. To protect groundwater as a drinking water source
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and provide a reference that can be used to improve the water environment, we investigated nitrate pollution in Weifang
Shandong province, which is famous as protected land where vegetables are produced in China.
We used a uniform sampling method to collect ground water in residential areas, grain and vegetable planting areas and
others areas in Weifang district, Shandong Province. The nitrate content of the water was analyzed and the source
identified. The results showed that the average NO-3 鄄N content of groundwater from 56 wells was 28. 1 mg / L, which
therefore belong to Class III according to national water quality standards (GB / T 14848—93). The average NO-3 鄄N content
in drinking water was 23. 3 mg / L, which exceeded the maximum permissible nitrate limit for drinking water of 50 mg / L
(11. 3 mg / L nitrate鄄nitrogen) recommended by the World Health Organization (WHO). The maximum nitrate鄄nitrogen
content reached 150 mg / L. Compared with the Chinese drinking water standard (10 mg / L), the proportion exceeding the
standard value was up to 73. 5% , and 50% of the drinking water exceeded 20 mg / L in drinking wells. There was variation
in the content of nitrate鄄nitrogen among different land uses including greenhouse vegetable planting areas, open鄄field
vegetable planting areas and wheat / maize planting areas. The average nitrate鄄nitrogen was 62. 4 mg / L. It was highest in the
greenhouse vegetable planting fields, which was almost twice the average value in open鄄field vegetable planting areas, and
lowest in the wheat鄄corn cropping fields. However, the average for all of the land use types exceeded the maximum
permissible limit for drinking water recommended by the WHO. There was a highly significant correlation between NO-3 and
Ca2+, and a significant correlation between NO-3 and Mg
2+ . This indicates that the nitrate source was associated with
excessive nitrogen fertilizer use in the fields. The Piper diagram obtained from the ions of the water also indicated that the
nitrate was associated with human activities, such as fertilizer application and sewage discharge. The 啄15N in nitrate was
analyzed, and the results showed that 41. 5% of nitrate was from fertilizer, and 14. 6% from sewage, and the remainder
from fertilizer, sewage and livestock manure in the groundwater in Weifang district. The nitrate contamination of
groundwater in Weifang is a serious problem which has compromised the health of the local population. Therefore, it is very
urgent to decrease the contamination and particularly the excessive fertilizer inputs to improve the local water environment.
Our results suggest that there is a need to develop eco鄄friendly approaches for the protection of the water environment.
Key Words: groundwater; nitrate鄄nitrogen; contamination; 啄15N; source tracing; Weifang
地下水是我国经济和社会发展以及人民生活所必需的、不可替代的重要资源[1]。 全世界超过 15 亿的人
口主要依靠地下水作为饮用水[2]。 我国部分城市和广大农村地区,地下水往往是唯一的供水水源[3鄄4]。 近些
年来,硝态氮污染地下水已是国际上普遍关注的问题。 欧美许多国家和地区都存在地下水硝态氮含量严重超
标的现象,尤其是在集约化农区[5鄄8]。 我国许多地区也在不同程度上受到了硝态氮的污染,尤其是农村地区
硝态氮污染非常普遍,且有日益严重的趋势[9鄄13]。 硝态氮本身对人体虽无直接危害,但被还原为亚硝态氮后
却可诱发高铁血红蛋白症、消化系统癌症等疾病而威胁人体健康[14鄄16]。 因此,为保证供水安全,有效治理被
污染的地下水体,确定地下水中硝态氮污染的来源非常重要。
已有研究表明:农业生产尤其是蔬菜种植与地下水硝态氮含量超标有很大的联系[17鄄24],潍坊市是山东半
岛经济开放区,是山东省农副产品的集中产区之一,包括寿光在内是我国重要的蔬菜生产基地,因此了解潍坊
地区地下水硝酸盐污染状况非常重要。 本文就整个潍坊市地下水硝态氮含量情况及污染来源进行了分析,为
进行硝酸盐污染治理及改善当地水环境、保障当地饮用水安全提供参考。
1摇 材料与方法
1. 1摇 研究区概况
以华北平原典型集约化农作物种植区———山东省潍坊市为研究区域。 潍坊市位于山东半岛中部,地跨北
纬 35毅41忆至 37毅26忆,东经 118毅10忆至 120毅01忆,总面积 1. 58 万 km2。 全市地势南高北低,南部是山区和丘陵,中
部是平原,北部是沿海滩涂,总耕地面积 70. 27 万 hm2。 全境属暖温带季风区大陆性气候,四季分明,年平均
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气温 12. 3 益,无霜期 200 d左右,年积温 4700 益,年平均降雨量 650 mm以上,自然条件良好。 主要种植作物
为小麦、玉米、大棚蔬菜、露地蔬菜等。
N118°
37°
36°
36°
119° 119° 120°
图 1摇 地下水样采集图(潍坊)
Fig. 1摇 The map of sampling locations (In Weifang)
1. 2摇 样品的采集
2009 年 9 月至 10 月,在潍坊市辖四区及 8 个郊区
县选择集约化农业种植程度高的粮田、蔬菜种植区为调
查对象,采用均匀布点的网格式取样,共取样 56 个,包
括饮用水井和灌溉水井。 主要采集地下水样本(图 1),
进行硝酸盐污染状况研究,并选择取样周边农户进行调
查。 样品采集利用 GPS 系统精确定位,并填写登记表,
注明编号、日期、采样时间、井深、周围主要种植分布等
相关说明,以便进行分析。 取样时,用细绳拴着不锈钢
的小吊桶沉入水井中,取上层水 (水面以下 0—1 m
内),水样取出后立即放入 500 mL 深色塑料瓶中,密
封,标签标记,带回实验室放入冰箱中冻存,待测定。
1. 3摇 样品测定
测定前一天,将样品取出解冻,若有浑浊,则用滤纸
过滤直至澄清。 采用连续流动注射分析仪法( FLOW
INJECTION ANALYSIS,FIA)测定水样中的 NO3 鄄N 含
量;采用离子色谱仪(戴安 ICS3000)测定钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、氯离子、硫酸根离子;碳酸氢根离子
采用稀硫酸鄄甲基橙滴定方法测定;NO-3 通过离子交换色层法转化为 AgNO3后,经 TC鄄EA 在线转化为 N2引进
同位素比值质谱仪(Elementar鄄Isoprime100)进行 啄15N鄄NO-3 的测定具体步骤见参考文献[25]。
1. 4摇 评价标准
地下水硝态氮污染评价标准: WHO 对饮用水中硝酸盐的最大允许含量规定为 50 mg / L(折合为硝态氮
11. 3 mg / L),中华人民共和国国家标准地下水质量标准(GB / T 14848-93)中规定了硝态氮(mg / L)的分级标
准如下:臆2. 0 为玉类水,臆5. 0 为域类水,臆20 为芋类水,臆30 为郁类水,>30 为吁类水。 为使饮用水硝态氨
含量的评估标准与国际标准接轨,根据刘宏斌等的分级方法[26],依硝态氮含量(mg / L)将地下水质量分为如
下 5 个等级:臆2. 0 为优级,2—5 为良级;5—10 达标;>10 为超标,其中>20 为严重超标(国标)。 在本文中超
标率按照 WHO标准计算,严重超标率按照国标计算。
1. 5摇 数据处理
采用 SPSS16. 0 统计软件和 Excel进行数据处理与统计分析。
2摇 结果与分析
2. 1摇 潍坊市地下水硝酸盐污染状况
2. 1. 1摇 硝态氮含量分布特征
从调查结果来看,潍坊市农村地区地下水硝态氮污染已经非常严重(表 1),56 眼调查井水的硝态氮含量
平均为 28. 1 mg / L ,超过 WHO 制定的硝酸盐 50 mg / L 的限量标准含量(折合硝态氮 11. 3 mg / L),最小值是
1. 82 mg / L,最高值为 150 mg / L。 按照 2. 3 所述标准,达标率为 26. 8% ,其中 3. 6%的水质达到优级,14. 3%的
水质达到良级,8. 9%的水质达到达标水平;超标率为 73郾 2% ,严重超标率为 48. 3% 。 按照中国地下水含量安
全饮用标准,地下水水质较差,达标率为 51. 7% ,其中玉类、域类、芋类、郁类、吁类水分别为 3. 6% 、14. 3% 、
33. 9% 、14. 3% 、33. 9% ;而且芋类水已经高达 33. 9% ,如果农田面源污染控制不合理,这部分水很容易向郁
类转化。 56 个样品中,饮用水井有 34 个,硝态氮平均含量为 23. 3 mg / L,有 25 个超过 10 mg / L,超标率达
73郾 5% ,严重超标率达 50% ,饮用水硝态氮污染非常严重,对当地居民的身体健康造成了严重的威胁。
1856摇 21 期 摇 摇 摇 徐春英摇 等:山东潍坊地下水硝酸盐污染现状及 啄15N溯源 摇
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表 1摇 不同用途水井及不同土地利用类型地下水硝态氮含量
Table 1摇 NO3 鄄N content of groundwater under different farmlands and different wells
类型
Type
取样个数
Sample
number
硝态氮平均值
Average of
NO3 鄄N content
/ (mg / L)
标准差
SD
变异系数
CV%
最大值
Max.
/ (mg / L)
硝态氮含量分布频率
Distribution frequency of NO3 鄄N content / %
臆 2
/ (mg / L)
2—5
/ (mg / L)
5—10
/ (mg / L)
>10
(>20 mg / L)
灌溉井水
Irrigating water 26
* 33. 1 36. 3 109. 7 150. 0 3. 8 15. 4 7. 7 73. 1(46. 2)
饮用井水
Drinking water 34
* 23. 3 29. 4 126. 3 150. 0 5. 9 11. 8 8. 8 73. 5(50)
露地蔬菜
Open field vegetables 12 32. 1 14. 0 43. 7 51. 3 0. 0 0. 0 0. 0 100. 0(66. 7)
温室蔬菜
Greenhouse vegetables 13 61. 4 38. 3 62. 4 150. 0 0. 0 0. 0 0. 0 100. 0(92. 3)
小麦鄄玉米种植
Wheat鄄maize cropping 19 11. 4 7. 6 66. 6 26. 2 5. 3 21. 1 15. 8 57. 9(15. 8)
其他 Others 12 14. 7 15. 3 104. 0 55. 1 8. 3 25. 0 16. 7 50. 0(33. 3)
总计 /平均值
Total / average 56 28. 1 29. 0 103. 0 150. 0 3. 6 14. 3 8. 9 73. 2(48. 2)
摇 摇 *表示有的水井既是灌溉水井也是饮用水井;表中括号中的数值指硝态氮大于 20 mg / L 样品的分布频率
2. 1. 2摇 不同土地利用方式与硝态氮含量关系
取样过程中同时对土地利用方式做了调查,地下水样品采集区主要土地利用方式有露地蔬菜种植区,设
施蔬菜种植区,小麦鄄玉米种植区,因大豆、棉花、果树等的种植区以及畜禽养殖区、居民生活区等区域取样较
少,故在此统一列为其他方式。 分析这些方式下地下水硝态氮含量(表 1),发现设施蔬菜和露地蔬菜这两种
种植方式下地下水硝态氮含量全部超标,平均硝态氮含量最高的是设施蔬菜种植方式,高达 61. 4 mg / L,并且
变化幅度较大,变异系数为 62. 4% ,最小值是 39 mg / L,最大值是 150 mg / L;其次是露地蔬菜,地下水硝态氮
平均含量高达 32. 1 mg / L;其他方式平均硝态氮含量达到了 14. 7 mg / L,最大值是果树区的地下水硝态氮含量
55. 1 mg / L,而一个养鸡场的地下水硝态氮含量达到了 39. 0 mg / L,取于饭店的样品其硝态氮含量是 26. 5 mg /
L,原因可能是果树栽培的高施肥量、畜禽粪尿以及居民区的生活污水影响了地下水硝态氮含量;小麦鄄玉米种
植方式下地下水硝态氮含量最低,为 11. 4 mg / L,但也超过了 WHO 对饮用水中硝态氮的允许含量 11. 3 mg / L
的规定,19 个样品中有 11 个超标,超标率高达 57. 9% ,严重超标率达 15. 8% ,这说明在潍坊地区小麦鄄玉米种
植方式下地下水也存在不同程度的硝态氮污染。 这些结果与前人的研究结果趋势是一致的,但也存在
差异[22鄄24]。
2. 2摇 地下水硝态氮污染来源分析
在人类活动影响下,地下水硝态氮来源复杂[27鄄29],既有天然源,又有人为源,一般认为地下水中大量的硝
酸盐氮主要来源于居民生活污水与垃圾粪便、化肥、工业废水、大气氮氧化合物干湿沉降以及污水灌溉等。 判
断地下水 NO3 鄄N 污染源的方法很多,主要包括水质解析法、氮氧稳定同位素比值等方法。 但是,由于使用一
种方法很难判断特定的污染原因,所以要根据地域特征,并结合几种合适的方法来分析。
2. 2. 1摇 硝酸盐含量与水质离子的相关性分析
利用离子色谱仪分析了样品的钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、碳酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸
根离子,分析这些离子之间的关系,形成相关性矩阵(表 2)。 从表 2 可以看出,钙离子与硝酸盐浓度极显著相
关,相关系数是 0. 687;镁离子、硫酸根离子与硝酸盐浓度显著相关,相关系数分别是 0. 272 和 0. 232;钠离子、
钙离子、镁离子、氯离子都与硫酸根离子极显著相关,钠离子、钙离子、镁离子与氯离子极显著相关;这可能与
当地农民大量施用硫酸铵、硫酸镁、硝酸铵、钙镁磷肥等肥料有关[20,30],过量施用的肥料,尤其是氮肥不能被
植物充分吸收,造成了土壤养分盈余,导致土壤中 NO-3、SO2-4 、Cl-等在土壤中残留[30],而这些离子经雨水与灌
溉很容易发生淋洗污染地下水,这与这些离子之间显著相关是相吻合的,因此,可以推断出硝酸盐超标与氮肥
2856 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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过量施用有关。
表 2摇 不同离子相关性分析
Table 2摇 The analysis of correlation between different ions
Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- SO2-4 HCO-3
NO3 鄄N -0. 72 0. 06 0. 687** 0. 272* 0. 143 0. 232* -0. 005
Na+ 0. 193 -0. 049 0. 669** 0. 796** 0. 714** -0. 025
K+ 0. 189 0. 090 0. 313* 0. 102 0. 188
Ca2+ 0. 318** 0. 343** 0. 432** -0. 38
Mg2+ 0. 740** 0. 745** -0. 004
Cl- 0. 705** 0. 04
SO2-4 -0. 068
2. 2. 2摇 地下水中各盐分离子特征解析
派珀图法也是水质调查分析中常用的一种直观的分析方法。 派珀图是个网状的菱形,将菱形的各个边做
轴表示所调查水样中各种溶解离子的百分数,该百分数是用当量的百分比表示。 一般而言,地下水在地层流
动的过程中其成分组成会受到外界的不同程度的各种影响。 受人为活动影响小的时候是顺着图中 I 的方向,
受人为影响大的时候多是顺着 III的方向变化,因此,可以根据地下水质的空间性、时间性的变化进行解析,从
而推断污染原因[31]。 将样品中钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、碳酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子、硝酸根
离子浓度换算成当量百分比绘制派珀图(图 2)。 从图 2 可以看出,多数样品的成分组成是顺着 III 的方向变
化,因此可以推断多数地下水样品受人为活动影响较大,而在农业区域,人为活动较多是施肥(包括化肥和畜
禽粪便等有机肥)与生活污水的排放,也就是说所取地下水样品多数受农业施肥与生活污水的影响较大。
100%
0%
100%
0%
0%
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100%
100%0%
0% 100%
100% %001%0 0%
Ⅰ Ⅳ
Ⅱ
Ⅴ
Ⅲ
Ⅴ
Cl- + NO3- + SO42-
SO42+ HCO3
-Mg2+
Ca2+ Cl-
Na++ K+
Ca2+ + Mg2+
图 2摇 潍坊地区地下水派珀图
Fig. 2摇 The piper plot of groundwater in Weifang
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1416
00 20.0040.0060.0080.00100.00120.00140.00160.00
硝态氮含量 NO3-N/(mg/L)
图 3摇 硝态氮含量和氮同位素组成之间的关系
Fig. 3摇 Relationship between the content of NO-3 鄄N and d15N
2. 2. 3摇 硝态氮氮同位素组成特征及溯源
氮元素有两种稳定同位素:常见的14 N 和稀有的
15N,在物理、化学和生物反应过程中它们因质量不同而
发生同位素分馏。 不同的污染源具有显著的氮同位素
特征。 56 个样品中有 41 个硝态氮含量超过 10 mg / L,
根据 2. 2 的方法,将这 41 个样品中的硝态氮转化为硝
酸银,利用高温元素分析仪鄄稳定同位素质谱仪进一步
分析氮稳定同位素d15N 值,通过d15N 值来确定硝态氮
的污染来源。 地下水 NO-3 鄄N和d15N之间的关系见图 3,
地下水中硝酸盐的d15N 值范围落在 4. 80译—14. 66译
之间,平均值为 7. 83译,标准偏差是 2. 2译,变异系数为 28. 0% ,而硝态氮含量和d15N 值没有显著的相关
关系。
根据以往的研究结果,不同来源的硝态氮其d15N 范围大致为:降水-8译—2译,化学肥料-7. 4译—6郾 8译,
家畜粪尿为 10译—22译,生活污水为 8译—15译[31];进一步可以理解为,d15N 介于 10译—15译之间属于家畜
粪尿和生活污水的混合污染,d15N 介于 6. 8译—8译之间属于降水、化学肥料、家畜粪尿、生活污水等的混合
污染。
潍坊地区潜在的硝态氮污染源主要包括化学肥料(尿素、复合肥、二铵等)、生活污水、家畜粪尿(主要当
作有机肥用)等。 潍坊地区地下水 56 个样品中有 41 个硝态氮含量超过 10 mg / L,其中有 17 个样品d15N值小
于 6. 8译,8 个样品d15N 值介于 10译—15译之间,6 个样品d15N 介于 8译—10译之间,10 个样品d15N 值介于
6郾 8译—8译之间;根据这些不同人为来源硝酸盐污染源的d15N特征值以及测定的地下水中硝酸盐d15N 值,结
合研究区的农作物种植、施肥状况和周边环境,得出如下结论:潍坊区域地下水硝酸盐有 41. 5%来自于化肥,
14. 6%来自于生活污水,19. 5%是家畜粪尿和生活污水的混合污染,24. 4%是化肥、家畜粪尿、生活污水等的
混合污染。 综合以上结果认为潍坊地区地下水硝酸盐主要来自于化肥(贡献率是 41. 5% ),生活污水和家畜
粪尿有一定贡献,并且生活污水的贡献要大于家畜粪尿的贡献。
3摇 讨论
地下水是我国北方农业生产和当地居民生活饮用水的主要水源,一旦受到污染,将危及人民健康安全,且
治理起来决非易事。 这是因为进入地下水的硝酸盐污染物相当稳定,这种化学物质可以在浅层地下水中保留
数十年。 因此,加强预防,源头控制总是高于先污染后治理。 源头控制是欧美等国对农业硝酸盐污染控制的
主要措施。 欧美等国家的经验显示,控制农业硝酸盐污染最有效的对策是切实抓好污染的源头控制。
从调查结果来看,潍坊地区 56 眼调查井水的硝态氮含量在 1. 82—150 mg / L 之间,平均值是 28. 1 mg / L ,
超标率为 73. 2% ,严重超标率为 48. 3% 。 饮用水硝态氮平均含量为 23. 3 mg / L,超标率达 73. 5% ,严重超标
率达 50% ,由此可见地下水硝态氮污染非常严重,对当地居民的身体健康造成了严重的威胁。 分析不同土地
利用方式与硝态氮含量关系表明,设施蔬菜种植区地下水硝态氮污染最严重,其次是露地蔬菜,第三是其他方
式,最小是小麦鄄玉米种植区,这些不同土地利用方式下地下水平均硝态氮含量都超过了 WHO 对饮用水中硝
态氮的允许含量 11. 3mg / L的规定,设施蔬菜区硝态氮含量几乎是露地蔬菜区的两倍。 据调查研究,潍坊设
施蔬菜区化肥和有机肥的年投入量均远远高于露地栽培[20,30],可能使得一些未被作物吸收利用的养分及肥
料的副成分大量残留于土壤中,同时,设施栽培条件下温度高,水分易蒸发,因此灌溉量要大于露地栽培,这就
使得大量的土壤盈余养分及肥料的副成分发生淋洗,污染了地下水,从而导致设施蔬菜区地下水硝态氮污染
要远远超过露地蔬菜区。 其他方式由于存在果园种植区和居民生活区,一方面果园种植区施肥量也较多,另
一方面居民生活区的生活污水也是造成地下水硝态氮超标的原因[23]。 本研究中小麦鄄玉米种植区地下水硝
态氮超标率高达 57. 9% ,严重超标率达 15. 8% ,超标率要远远高于 Du、Song 等的研究结果[22鄄24],而与 Liu 等
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的研究结果相吻合[32],这一方面可能是由于取样点存在差异,另一方面可能与地下水运移、补给等自然因素
有关。 GD Liu认为地下水中硝态氮浓度的升高是一种多因子共同作用的结果[32],因此,影响地下水中硝酸盐
污染的自然和人为的因素都应该考虑和分析。
Kou等研究表明小麦鄄玉米轮作、大棚蔬菜和果园种植体系下土壤中均有大量氮素盈余,并且均表现出硝
酸盐的明显淋洗[22];Liu等研究表明设施蔬菜土壤中的碱解氮以硝态氮为主,土壤中大量硝酸盐积累,容易造
成土壤盐渍化及土壤硝酸盐的淋洗,污染地下水[20]。 通过分析硝酸盐与水质各离子之间的相关性以及水质
分析相关的派珀图,都可以推断出潍坊地区地下水硝酸盐超标与人为活动(主要是施肥)关系密切,这一结论
与前人研究是相吻合的[17鄄24,32-33];进一步通过超标地下水样品中的 NO-3 鄄d15N 与不同来源的硝态氮d15N 范围
分析比较,结合研究区的农作物种植、施肥状况和周边环境, 可以认为潍坊地区地下水硝酸盐污染主要来自
于化肥污染(贡献率是 41. 5% ),生活污水和家畜粪尿有一定贡献,并且生活污水的贡献要大于家畜粪尿的
贡献。
尽管在许多情况下利用d15N值能够有效识别不同来源的 NO-3,但是该方法也有一定的局限性。 首先,部
分不同 NO-3 源的d15N特征值范围过大,存在一定重叠,如家畜粪尿为 10译—22译,生活污水为 8译—15译,因
此有时仅凭 NO-3的d15N 值不能区分这两种截然不同的来源[34];其次, 在土壤环境中有各种各样的反应和混
合,氨的挥发、有机物和铵的硝化、硝态氮的脱氮等,这些现象都会使d15N值发生变化,从而影响有效识别 NO-3
源。 近年来发展起来的 NO-3 的氧同位素溯源技术,尽管研究时间较短,不同来源 NO-3的 啄18O 特征值的研究还
很有限,但在许多情况下仍可以弥补仅利用 NO-3的d15N值识别其来源的不足。 另外,应加大样品量与取样密
度,这样可以更系统、全面地了解潍坊地区地下水硝酸盐污染状况与来源。
4摇 结论
(1)从调查结果来看,潍坊地区地下水硝态氮污染已经非常严重,56 眼调查井水的硝态氮含量平均为
28. 1 mg / L ,变化范围是 1. 82 mg / L—150 mg / L之间。 饮用水井平均含量为 23. 3 mg / L,超标率达 73. 5% ,严
重超标率达 50% ,污染非常严重,对当地居民的身体健康造成了严重的威胁。
(2)不同土地利用方式下地下水硝态氮含量不同,最高的是设施蔬菜种植区,其次是露地蔬菜种植区, 小
麦-玉米种植区地下水硝态氮含量较低,但都超过了WHO 对饮用水中硝态氮的最大允许含量 11. 3mg / L的规
定(硝酸盐含量 50 mg / L)。
(3)采用离子相关性及水质派珀图分析都表明,地下水硝酸盐超标与氮肥施用有密切关系;采用硝酸盐
啄15N的稳定同位素溯源分析表明潍坊地区地下水硝酸盐主要来自于化肥(贡献率是 41. 5% ),生活污水和家
畜粪尿有一定贡献,并且生活污水的贡献要大于家畜粪尿的贡献。 因此,要降低地下水硝酸盐继续污染的风
险,必须从源头控制做起,减少肥料(包括化学肥料和有机肥)的投入,同时也要规范与有效处理排放的生活
污水。
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7856摇 21 期 摇 摇 摇 徐春英摇 等:山东潍坊地下水硝酸盐污染现状及 啄15N溯源 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 21 November,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Landscape spatial analysis of a traditional tibetan settlement based on landscape pattern theory and feng鄄shui theory:the case of
Zhagana, Diebu, Gansu Province SHI Lisha, YAN Lijiao, HUANG Lu, et al (6305)……………………………………………
Temporal鄄spatial differentiation and its change in the landscape ecological security of Wuyishan Scenery District
YOU Weibin,HE Dongjin,WU Liyun,et al (6317)
……………………
…………………………………………………………………………………
Evaluation of eco鄄sustainability of roads in a tourism area: a case study within Yulong County JIANG Yiyi (6328)…………………
Study on the compactness assessment model of urban spatial form ZHAO Jingzhu, SONG Yu, SHI Longyu, et al (6338)……………
A multi鄄scale analysis of red鄄crowned crane忆s habitat selection at the Yellow River Delta Nature Reserve, Shandong, China
CAO Mingchang, LIU Gaohuan, XU Haigen (6344)
…………
………………………………………………………………………………
Assessment and spatial distribution of water and soil loss in karst regions, southwest China
FAN Feide,WANG Kelin,XIONG Ying,et al (6353)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
Construction of an eco鄄environmental database for watershed鄄scale data: an example from the Tarim River Basin
GAO Fan, YAN Zhenglong, HUANG Qiang (6363)
……………………
………………………………………………………………………………
Reproductive allocation in dioecious shrub, Rhamnus davurica WANG Juan, ZHANG Chunyu, ZHAO Xiuhai, et al (6371)………
Age鄄dependent growth responses of Pinus koraiensis to climate in the north slope of Changbai Mountain, North鄄Eastern China
WANG Xiaoming, ZHAO Xiuhai, GAO Lushuang, et al (6378)
………
…………………………………………………………………
Fine鄄scale spatial point patterns of Stipa krylovii population in different alpine degraded grasslands
ZHAO Chengzhang, REN Heng, SHENG Yaping, et al (6388)
……………………………………
……………………………………………………………………
Community structure and population regeneration in remnant Ginkgo biloba stands
YANG Yongchuan, MU Jianping, TANG Cindy Q. ,et al (6396)
……………………………………………………
…………………………………………………………………
Reproductive characteristics and adaptive evolution of pin and thrum flowers in endangered species, Primula merrilliana
SHAO Jianwen, ZHANG Wenjuan, ZHANG Xiaoping (6410)
……………
………………………………………………………………………
Leaf functional traits of four typical forests along the altitudinal gradients in Mt. Shennongjia
LUO Lu, SHEN Guozhen, XIE Zongqiang,et al (6420)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
Reclaimed soil properties and weathered gangue change characteristics under various vegetation types on gangue pile
WANG Liyan, HAN Youzhi, ZHANG Chengliang, et al (6429)
…………………
……………………………………………………………………
Influence of fire on stands of Pinus massoniana in a karst mountain area of central Guizhou province
ZHANG Xi, CHUI Yingchun, ZHU Jun, et al (6442)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Morphological and physiological adaptation of Caragana species in the Inner Mongolia Plateau
MA Chengcang, GAO Yubao, LI Qingfang, et al (6451)
………………………………………
…………………………………………………………………………
A comparative study on reasons of degenerated of Haloxylon ammodendron population in the western part of Gurbantunggut desert
SI Langming,LIU Tong,LIU Bin,et al (6460)
……
………………………………………………………………………………………
Self鄄thinning of natural broadleaved forests in Baishilazi Nature Reserve ZHOU Yongbin, YIN You, YIN Mingfang, et al (6469)…
Population status and dynamic trends of Amur tiger忆s prey in Eastern Wandashan Mountain, Heilongjiang Province
ZHANG Changzhi, ZHANG Minghai (6481)
…………………
………………………………………………………………………………………
The relationship between the occurrence of Colorado Potato Beetle, Leptinotarsa decemlineata, and rivers based on GIS: a case
study of Shawan Country LI Chao, ZHANG Zhi, GUO Wenchao, et al (6488)…………………………………………………
Occurrence dynamics and trajectory analysis of Cnaphalocrocis medinalis Guen佴e in Xing忆an Guangxi Municipality in 2010
JIANG Chunxian, QI Huihui, SUN Mingyang, et al (6495)
…………
………………………………………………………………………
Adaptability of B鄄biotype Bemisia tabaci (Gennadius) to Host Shift ZHOU Fucai, LI Chuanming, GU Aixiang, et al (6505)………
Structural change analysis of cecal bacterial flora in different poultry breeds using PCR鄄DGGE LI Yongzhu,Yongquan Cui (6513)…
Effect of chicken manure鄄amended copper mine tailings on growth of three leguminous species, soil microbial biomass and enzyme
activities ZHANG Hong, SHEN Zhangjun, YANG Guide, et al (6522)…………………………………………………………
Physiological response of Microcystis to solar UV radiation WANG Yan, LI Shanshan, LI Jianhong, et al (6532)……………………
Relationship between cell volume and cell carbon and cell nitrogen for ten common dinoflagellates
WANG Yan,LI Ruixiang,DONG Shuanglin,et al (6540)
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The community structure and abundance of microcystin鄄producing cyanobacteria in surface sediment of Lake Taihu in winter
LI Daming, KONG Fanxiang,YU Yang, et al (6551)
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Influence of green belt structure on the dispersion of particle pollutants in street canyons
LIN Yinding, WU Xiaogang, HAO Xingyu, et al (6561)
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Spatio鄄temporal variation analysis of urbanization and land use benefit of oasis urban areas in Xinjiang
YANG Yu, LIU Yi, DONG Wen, et al (6568)
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Nitrate contamination and source tracing from NO-3 鄄啄15N in groundwater in Weifang, Shandong Province
XU Chunying, LI Yuzhong, LI Qiaozhen, et al (6579)
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The impact of rising temperature on spring wheat production in the Yellow River irrigation region of Ningxia
XIAO Guoju, ZHANG Qiang, ZHANG Fengju, et al (6588)
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A new hyperspectral index for the estimation of nitrogen contents of wheat canopy
LIANG Liang, YANG Minhua, DENG Kaidong, et al (6594)
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The feature of N2O emission from a paddy field in irrigation area of the Yellow River
ZHANG Hui,YANG Zhengli,LUO Liangguo, et al (6606)
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Review and Monograph
Research perspective for the effects of nitrogen deposition on biogenic volatile organic compounds
HUANG Juan, MO Jiangming, KONG Guohui, et al (6616)
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Recruitment limitation of plant population: from seed production to sapling establishment
LI Ning, BAI Bing, LU Changhu (6624)
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Scientific Note
Response of anatomical structure and photosynthetic characteristics to low light stress in leaves of different maize genotypes
DU Chengfeng, LI Chaohai, LIU Tianxue, et al (6633)
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2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 21 期摇 (2011 年 11 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 21摇 2011
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